Мощни кондензатори и кондензаторни батерии

ЕлектроенергетикаТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 6, 2013

В брой 5/2013 на сп. Енерджи ревю стартирахме темата за мощните кондензатори (Power Capacitor) с представяне на видовете им според структурата. В този брой ще бъдат разгледани особеностите на мощните кондензатори в зависимост от областите на приложение, като бъде отделено внимание и на кондензаторните батерии.

Видове кондензатори в зависимост от приложенията

Първите приложения на мощните кондензатори са от 20-те години на миналия век в мощните радиопредаватели (които приложения продължават и до днес), но към тях вече се прибавиха множество нови и твърде разнообразни. При това всеки от разгледаните видове може да се използва за едно или няколко приложения, като не трябва да се забравя, че в немалка част от тях съществено значение има издръжливостта на кондензаторите на удари и вибрации.

Филтриращи кондензатори (DC Filtering Capacitor). Свързват се на изхода на еднофазни (практически винаги мостови) и трифазни токоизправители с цел намаляване на пулсациите в изходното им постоянно напрежение до желана ефективна стойност (Ripple Voltage) Ur. При ток Irms на товара и честота f на пулсациите капацитетът трябва да е Cі0,159 Irms/(Urf), като при инвертори f обикновено е 10 - 20 kHz.

Специфичен параметър е работното напрежение UW, което е амплитудната стойност на изходното напрежение и трябва да е поне с 5% по-малко от UN. Често в каталозите се дава графикът на зависимостта на очаквания експлоатационен срок от отношението UW/UN при различни qhs - с намаляване на отношението и на qhs експлоатационният срок нараства.

Например за даден кондензатор той може да е 100 000 часа при UW/UN = 1 и 200 000 часа при UW/UN = 0,95. Типичните капацитети са между няколко mF и няколко хиляди mF, а UN е до няколко десетки kV. Съществена особеност е, че повтарящото се импулсно напрежение Up може да е над 1000 пъти по-голямо от UN - например кондензатор с UN=1,2 kV има Up=1,7 MV.

Натрупващи кондензатори (DC-Link Capacitor). Основното им предназначение е за бързо натрупване и отдаване на енергия на изхода на инвертори на променливо в постоянно напрежение, използвани главно в електротранспорта, при електродвигатели и заваръчни токоизточници. Същността на действието им е да намаляват пулсациите на захранващото напрежение на устройствата, подобно на филтриращите кондензатори, поради което изискванията към параметрите им за двата вида приложения са твърде близки.

Разликата е, че капацитетът на някои модели натрупващи кондензатори достига десетки хиляди mF, а максималната амплитуда на пулсациите Urmax да е над 50% от UN - например кондензатор 3900 mF има UN = 1800 V и Urmax = 1150 V.

Еднофазни кондензатори (Single Phase Capacitor). Практически винаги те са филм-кондензатори с едностранен Al електрод, като основното им предназначение е работа в индустриални системи със значителни мощности.

Специфична особеност е вграденият паралелен резистор за саморазреждане след изключване на напрежението (в каталожната информация е отбелязано необходимото за това време, например 10 минути) поради големите стойности на WN (между няколко десетки и няколко хиляди kVAR). Също така кондензаторите трябва да имат малко ESR (желателно е под 1 mW), а от някои се изисква температурата на най-горещата точка да е с не повече от 10 °С над околната.

Трифазни кондензатори (Three Phase Capacitor). Подобни са на еднофазните, като свързването им задължително е в триъгълник (Delta Connection), тъй като “звездата” крие потенциална опасност не само за самите кондензатори, но и за свързаните към тях товари. В някои модели диелектрикът е порцелан, а част от тези с полипропилен са импрегнирани за подобряване на параметрите.

В каталозите се отбелязва дали са предвидени за работа в помещения, на открито или и двете, като трябва да се има предвид, че често максималната работна температура не е висока, например 50 °С, средната стойност е 40 °С за 24 часа и 30 °С за една година.

Корпусът обикновено е алуминиев, UN типично е между 220 V и 20 kV и стойността на WN - от 1 kVAR до няколко стотици kVAR. Приложенията са подобни на еднофазните кондензатори, към които се прибавя използването във вятърни турбини. За някои модели и от двата вида в каталога се дава максималната надморска височина, до която могат да се използват.

Кондензатори за електродвигатели. Първото приложение е за улесняване на стартирането на монофазни асинхронни електродвигатели, най-често с мощност докъм 10 kW, чрез свързване на кондензатора последователно на пусковата намотка. Неговата енергия увеличава около 3 пъти въртящия момент и съответно намалява времето за достигане на номиналните обороти.

Типичният капацитет на кондензаторите е между няколко десетки и няколко стотици mF, а UN е равно на 250 V или 330 V. Второто приложение е при постоянна работа на електродвигателите (Motor Run Capacitor) с цел намаляване на загубите на енергия при спирането им, когато тя се превръща в топлина. Вместо последното енергията се натрупва в кондензатор и се използва при последващото увеличаване на оборотите.

Използва се за задвижване на помпи, компресори и особено на елеватори, където чрез кондензатори загубите на енергия намаляват с около 30%. Капацитетите са между няколко десети от mF и няколко стотици mF, напрежението UN е 250-660 V и работният температурен обхват трябва да бъде съобразен с този на електродвигателя.

Кондензатори за подобряване на cosj (Power Factor Correction Capacitors). Осигуряването на cosj близък до 1 е важно за всякакви индуктивни товари на електрическата мрежа - не само електродвигатели, но и флуоресцентни лампи, зарядни устройства за акумулатори, токоизточници за електродъгово заваряване, пещи за индукционно нагряване и мощни токоизправители.

Използват се еднофазни и трифазни филм-кондензатори с Al корпус, които обикновено се свързват последователно с товара и имат като допълнителна функция намаляването на амплитудата на хармониците. Освен необходимото UN (типично между 230 и 690 V) основен параметър е тяхната реактивна мощност Pr със стойности най-често от няколко kVAR до няколко десетки kVAR.

За осигуряване на желан cosj на електродвигател с активна мощност Ра е необходимо кондензаторът да има Pr = k x Pa, като за стойността на k в много каталози на кондензатори се дават таблици в зависимост от cosj и cosjM на електродвигателя.

Например при cosjM = 0,7 за получаване на cosj = 0,95 е необходим k = 0,691, което при двигател с Pa = 10 kW означава поставяне на кондензатор с Pr = 6,91 kVAR. От каталози се избира кондензатор с капацитет (типични стойности между няколко десетки и няколко стотици mF), осигуряващ тази Pr и с UN, равно на работното напрежение на електродвигателя. Трябва да се прибави, че неправилният избор на кондензатор може да предизвика отскоци на напрежението на електродвигателя и нежелани промени на въртящия му момент.

Поради това много производители дават други таблици за избор на Pr на кондензатора на даден тип електродвигател в зависимост от неговата Pa и оборотите му. Съществена особеност е, че кондензаторът трябва да бъде максимално близко до товара, за да не протичат токовете между тях през останалата част от мрежата, което би усложнило нейната структура и би увеличило нагряването на проводниците й. Това разположение на успоредно свързания на товара кондензатор определя наименованието му Shunt Capacitor.

Кондензатори за осветителни тела (Lighting Capacitor). Поради естеството на осветителните тела тези мощни кондензатори имат значително по-малки UN и WN в сравнение с предните видове. Едно от големите им приложения е като баласт на газоразрядни лампи (High-Intensity Discharge - HID Lamp) с капацитет 1 - 75 mF при производствен толеранс ±3%, стойности на UN до 660 V и експлоатационен срок не по-малък от 60 000 часа.

Поради приложенията на лампите и за външно осветление е желателно кондензаторите да работят в температурен обхват от -40 до +105 °С. Тези с метален корпус имат импрегнирана разновидност (Oil-Filled Capacitor), докато кондензаторите с пластмасов корпус са само сухи.

Кондензатори за автомобили. Предназначени са за инверторите на хибридни и електрически автомобили и по принцип действието им е като на натрупващите кондензатори. Тъй като кондензаторите в инверторите заемат около 1/3 от обема и около 1/4 от тяхното тегло, правилният им подбор има съществено значение.

Типичният им капацитет е в границите 400 - 1300 mF при UN = 600 - 1000 V и Irms = 200 - 300 A. Към това трябва да се прибави изискването за малки ESR (до 3 mW) и ESL (не повече от 25 nH), което обуславя малки отскоци на напрежението при рязка смяна на стойността му.

Необходимо е и малко топлинно съпротивление поради значителните температури в автомобилите, възникващи в редица случаи. Не по-малко съществено е, че при типичен ток на електродвигателя около 100 А при потегляне на автомобила той може да достигне импулсни стойности от 2 kA, които са напълно допустими за филм-кондензаторите.

Типични примери за приложение са в IGBT инверторите за управление на 20-киловатови електродвигатели в хибридни автомобили и 90-киловатови в електромобили. Друг пример е вграждането на кондензатори в стартера на автомобилите.

Кондензатори за фотоволтаични системи. Поради факта, че около 95% от консуматорите са променливотокови, постоянното напрежение от фотоволтаичните панели трябва чрез инвертор да се преобразува в синхронизирано с мрежата променливо напрежение с необходимите параметри. Едно от изискванията към мощните кондензатори, използвани в инверторите за PV системи, е да са съобразени с техния експлоатационен срок от около 200 000 часа (25 години).

Първото им приложение е като натрупващ кондензатор (специфично наименование Bus Capacitor), поставен между фотоволтаичния панел и инвертора, който да намали пулсациите на напрежението на панела, предизвикани от работата на IGBT в инвертора. Тяхното наличие предизвиква непрекъсната промяна на работния режим на панела вместо той да е фиксиран за осигуряване на максимален к. п. д.

Резултатът е намаляване на получената от панела електрическа енергия, което е по-малко при наличие на кондензатор. Необходимият капацитет на натрупващия кондензатор е между няколко десетки и няколко хиляди mF, а неговото UN е от 600 V до 1,3 kV в зависимост от инвертора. Второто приложение на мощните кондензатори е като филтриращи (еднофазни или трифазни) между изхода на инвертора и неговия товар. Най-често използваните стойности на техния CN са между няколко mF и няколко стотици mF, а UN е от 250 до 600 V.

Кондензаторни батерии

Наименованието им (англ. Capacitor Bank) показва, че представляват съвкупност от множество подходящо свързани кондензатори с основно предназначение осигуряването на големи реактивни мощности за подобряване на cosj в енергийните системи. Поради свързването им успоредно на всяка от фазите често използвано наименование е Shunt Capacitor Bank (SCB).

Една кондензаторна батерия се състои от кондензаторни блокове (Capacitor Unit), идея за чиято структура е показана на фиг. 1а. Всеки от капацитивните елементи e филм-кондензатор, като при големи мощности е с Al фолио. Броят им в една група от елементи, както и броят на групите, зависи от работното напрежение на блока (типично 230 V - 25 kV, но има кондензаторни батерии с напрежение до 150 kV) и неговата WN (от няколко kVAR до около 1 MVAR).

Конструкцията на изводите зависи от UN, а времето на разреждане на изключения блок през разрядния резистор варира (например за намаляване на UN от 240 V на 50 V за 1 минута). Според стандарта IEEE Std 18-1992 блоковете трябва да работят до 110% от напрежението на мрежата, към която са свързани, и при нормални напрежение и честота реално да осигуряват реактивна мощност между 100% и 115% от зададената им като параметър.

Наличието на предпазители в кондензаторните блокове е задължително, като те могат да са външни (Externally Fused), свързани последователно с блока, или вградени (Internally Fused) в него последователно на всеки елемент.

Всяка от фазите на кондензаторната батерия представлява последователно съединени групи от по няколко паралелно свързани блокове. Това се вижда от фиг.1б, където всеки от символите за кондензатор представлява един кондензаторен блок. Самото свързване на фазите по-често се прави в звезда или две успоредно свързани звезди, тъй като чрез токови трансформатори може да се следи токът във всяка от фазите за оценка на нежелано разбалансиране, както и на прекъсването на тока поради повреда.

Стойностите на енергията на кондензаторните батерии е в твърде широки граници - на тези в подстанциите средно и високо напрежение е от няколко десетки MVAR до няколко GVAR, докато при тези с ниско напрежение (от 200 до 600 V в различните страни) е от няколко kVAR до около 1 MVAR. Особеност на последните е, че понякога трите фази на кондензаторните батерии са свързват в триъгълник.


Top